曝氣生物濾池污水廠

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❷ 曝氣生物濾池處理工業綜合廢水提標改造技術研究

針對曝氣生物濾池工藝不具備脫氮除磷功能，特別是在處理工業綜合廢水時出水不能穩定達標排放的問題，提出了「化學除磷+氣浮除油+水孫局解酸化+前置反硝化曝氣生物濾池」的全流程處理工藝，並通過中試研究對處理流程以及各個處理單元運行參數進行了優化，在水解酸化2.0h，投加混凝劑硫化鐵量為40.0mg/L，氣浮溶氣壓力3.5kg/cm2，AO池125%迴流比，水力停留時間為20.0min的條件下，其出水達到國家一級A排放標準的要求。並對升級改造的建設和運行費用進行了核算，為同類污水處理廠的升級改造工程提供理論依據和數據支持。
1前言
遼河流域的渾河中部城市群是遼寧乃至東北老工業區振興的核心區域，隨著工業化並模進程的高速發展，流域內工業園區正在蓬勃興起，隨之產生了大量工業綜合廢水。該類廢水經園區內處理後，仍含有大量極難降解的有機污染物，水質可生化性極差，給所匯入的城鎮污水處理廠帶來較大的處理難度並造成干擾，直接導致出水不達標的問題[1~3]。與此同時，流域水環境質量改善的需求對污水處理廠出水提出了更加嚴格的要求，根據遼寧省環保局與遼寧省質量技術監督局聯合頒布的《遼寧省污水綜合排放標准》的要求，市級以上污水處理廠出水COD(chemicaloxygendemand)、NH3-N(氨氮)和TN(總氮)的濃度要達到國家一級A排放標准，故污水廠目前亟需結合現有處理工藝進行升級改造研究，實現工業綜合廢水的達標排放[4~8]。
曝氣生物濾池工藝由於其佔地面積小、處理效果好等特點，在遼河流域內的污水處理廠尚佔有一定的比例，出水基本達到二級排放標准，但隨著難降解工業綜合廢水的匯入，導致濾池板結堵塞、生物膜脫落等現象的產生。針對工業綜合廢水存在的問題和曝氣生物濾池的特點，進行了水解酸化和氣浮除油的預處理研究，以及化學除磷和前置反硝化深度脫氮研究，使其出水達到一級A排放標准，為該類污水廠的升級改造提供理論依據和數據支持[9～13]。
2試驗裝置與試驗方法
2.1試驗水質
該研究選取沈陽市鐵西區某污水處理廠，該污水廠日處理水量40萬t，其中60%以上的進水為工業綜合廢水。如表1所示，從污水處理廠的進水水質指標來看，其有機污染物和固體懸浮物(SS)濃度都比較高，經過水廠現有的兩級曝氣生物濾池工藝處理，出水基本上能夠達到國家二級排放標准，但對比一級A標准，一方面需要進一步去除水中的COD、SS和NH3-N;另一方面還需要增加脫氮除磷的功能。
2.2試驗裝置
針對工業綜合廢水的特性以及污水處理廠現有工藝特點，設計了深度處理的全流程工藝，中試裝置主要包括混凝池、氣浮池、水解沉澱池和前置反硝化曝氣生物濾池4個處理單元。
如圖1所示，其中絮凝池柱高1.6m，直徑0.6m，原水和混凝劑溶液均從距底部1.2m處注入，內設JJ-1大功率電動攪拌器，使原水和混凝劑充分混合，以去除原水中的SS和TP;溶葯池採用相同設計參數，同樣使用攪拌器使固體混凝劑充分溶解為液狀，並由蠕動泵注入絮凝池;氣浮池接觸室高2.2m，直徑0.12m，分離室高2.4m，直徑0.32m，加入混凝劑的原水使用DP-130高壓隔膜泵、與空氣充分混合的迴流液使用尼克尼20FPD04Z氣液混合泵從接觸室底部共同注入，經分離室將其中的泡沫殘渣去除，並從頂部平台排出;水解沉澱池柱高4.5m，直徑0.5m，盛裝厭氧污泥，污水從底部注入，經污泥層去除部分SS和COD;前置反硝化曝氣生物濾池使用柱高4.3m，直徑0.5m的有機玻璃濾柱填裝火山岩濾料，濾柱中的火山岩濾料粒徑分別為6～8mm、4～6mm和3～5mm，其中承托層高0.3m，濾料高4.0m，水面超高1.0m，設計三級生物濾柱分別為反硝化DN池、氧化硝化CN池和硝化N池，即分別進行反硝化、氧化和硝化反應，對污水中的TN、COD和NH3-N進行生化去除，CN池和N池使用空壓機進行曝氣，三級濾柱均採用向上流方式，使用高壓隔膜泵從底部注水。中試裝置日處理水量2t。
2.3水質分析方法
TN的測試採用過硫酸鉀氧化法，NH3-N的測試採用納氏試劑比色法，硝酸鹽氮的測試採用麝香草酚分光光度法，亞硝酸鹽氮的測試採用N(-1-奈基)-乙二胺分光光度法，COD的測試採用重鉻酸鉀法，DO(溶解氧)的測試使用溶解氧快速測定儀[14]。
3試驗結則蔽讓果與分析
3.1運行參數優化
3.1.1水解酸化預處理
水解酸化單元的作用是在進一步去除水中COD和SS濃度的同時，提高水質的可生化性[15~17]，其主要控制參數為HRT(水力停留時間)。現通過對進出水COD、SS濃度以及BOD/COD的檢測與分析優化HRT。
如圖2所示，當HRT在2.0h以下時，COD的去除率不足30.0%，由於時間較短，這部分去除的主要是水中懸浮狀COD。而隨著HRT的逐漸提高，水中難降解有機污染物在水解和發酵細菌的作用下，轉化為單糖、氨基酸、脂肪酸等小分子、易降解的有機物[18~20]，COD的去除率也不斷升高，達到50%以上。隨著出水COD濃度的不斷下降，出水BOD的濃度也隨之下降，但由於工業廢水中的難降解有機物濃度所在比例較高，出水COD濃度下降的速率要高於出水BOD濃度下降的速率，出水BOD/COD的比值也隨之升高。如圖3所示，進水BOD/COD的值基本在0.3～0.4，當HRT大於2.0h時，出水BOD/COD的值升至0.4以上。而當HRT大於4.0h時，水中的難降解有機物已完成水解，出水COD的去除率變化不大，BOD/COD的值也開始回落。所以，當HRT介於2.0～4.0h時，出水BOD/COD的值保持在0.4以上，屬於較易進行生化處理的范圍，有助於後續生物濾池的進一步處理。考慮到在流量不變的條件下，構築物的體積會隨著HRT的升高而增大，故確定水解酸化的HRT為2.0h。
此外，水解池對原水中的SS也有較強的去除能力。由於工業綜合廢水中含有較多的粘渣和懸浮物，雖然通過混凝氣浮工藝可以去除50.0%，但出水的SS濃度仍在60.0mg/L，如果這些SS直接進入濾池，將會增加濾池的反沖洗次數。經過水解池厭氧污泥層對水中顆粒物質和膠體物質的截留和吸附作用，出水的SS得到進一步的去除，其濃度基本保持在40.0mg/L以下，去除率在44.0%以上。由於水解池對SS的去除主要是通過截留和吸附作用，故過長的HRT對SS的去除並無明顯的效果，所以對於佔地面積有限的污水處理廠，水解池在升級改造過程中完全可以取代初沉池，起到初級去除原水中的SS和COD的作用。
3.1.2強化化學除磷
試驗選用Al(2SO4)3、聚合氯化鋁(PAC)、FeCl3和聚合硫酸鐵(PFS)四種常用的混凝劑，通過對原水以及出水中TP濃度的考察，確定使用PFS為強化化學除磷試驗的混凝劑，並對其投葯量和攪拌時間兩個參數進行優化[21~24]。
如圖4所示，隨著混凝劑PFS投加量的增加，水中TP的濃度不斷減少。當投葯量達到30.0mg/L時，水中TP的濃度已低於0.5mg/L，去除率達到75.0%以上。根據鐵鹽除磷的化學方程式可知，每去除1mg的P，需要1.8mg的Fe。原水中TP的濃度在1mg/L至4mg/L，若使出水TP濃度小於0.5mg/L，最多需要12.0mg/L的硫酸鐵，以至少40.0%有效成分計算，需要30.0mg/L。考慮水解等因素，最終選定投葯量為40.0mg/L，此時的出水TP濃度為0.3mg/L。可以保證出水水質符合一級A排放標準的要求。
確定PFS的投葯量後，對攪拌時間進行了優化。在投葯量40.0mg/L條件下，改變攪拌時間，測定出水TP濃度。攪拌時間及進出水TP濃度和去除率如圖5所示，隨著攪拌時間的增長，水中TP的濃度不斷減少。時間從5.0min增加到15.0min，水中TP的去除率提高了5.1%，而從15.0min增加到30.0min，去除率僅提高了2.0%，故過長的攪拌時間對TP的去除並無顯著的效果，反而會增加額外的能源消耗和構築物的建築體積。由於出水TP濃度均小於國家一級A標准要求的0.5mg/L，故從運行成本上考慮，確定最佳攪拌時間為15min。
3.1.3高效氣浮除油
原水與混凝劑PFS混合後進入氣浮池，目的是將水中造成濾池堵塞的油污以及混凝產生的泡沫殘渣去除。氣浮池採用加壓溶氣氣浮方式，主要有溶氣壓力和迴流比兩個控制參數，通過對進出水含油量的檢測分析，優化氣浮單元的運行參數[25，26]。溶氣壓力對油類去除的影響如圖6所示，出水含油量隨溶氣壓力的變化趨勢可分為三個階段。
當壓力小於2kg/cm2時，氣浮形成的氣泡粒徑還較大，對水中絮狀顆粒的去除能力有限。在壓力增加到3.5kg/cm2的過程中，隨著氣泡粒徑的減小，氣浮的去除能力也有了顯著的提高。但此後即便形成氣泡的粒徑不斷減小，出水含油量卻不再降低，這說明並非氣泡粒徑越小氣浮效果越好，而是當氣泡粒徑和水中雜質粒徑越接近時效果越好。一般的，氣浮工藝的微氣泡平均粒徑在40.0μm左右，從試驗中可以看出，當溶氣壓力為3.5kg/cm2時就可以取得較好的去除效果，此時出水含油量為2.73mg/L，去除率為84.6%，而過高的溶氣壓力只會增加動力的輸出和電能的消耗。
迴流比對含油量的去除影響如圖7所示，氣浮的去除效果受迴流比的影響較大。當迴流比低於30%時，由於形成的氣泡較少，對水中油類的去除能力較差。當迴流比增大到30.0%～50.0%時，氣浮的去除效果達到最佳。而當迴流比增大到50.0%以上時，去除率卻出現下降，經分析認為這是由於水中空氣比例過高，微氣泡聚合成粒徑較大的氣泡，導致氣浮效果變差。故確定氣浮除油的迴流比為50.0%，此時出水含油量為3.12mg/L，去除率為82.9%。
3.1.4A/O深度脫氮
脫氮單元採用前置反硝化曝氣生物濾池。其控制參數主要有迴流比、HRT和曝氣量，通過對出水COD、TN、NH3-N和DO的檢測，對各個參數進行優化。
迴流比是前置反硝化脫氮工藝中最為重要的控制參數，它直接影響水中TN的去除效果。根據中試設計中的BOD負荷和硝化負荷計算以及COD負荷校核，在單池HRT為45.0min，氣水比為5∶1的條件下，出水可穩定實現一級A達標排放，首先在50%～250%的范圍內對參數迴流比進行考察。如圖8所示，當迴流比從50%增加到150%時，出水TN的濃度在不斷下降，TN的去除率也不斷提高。這是由於在迴流比較低時，水中作為電子受體的硝酸鹽不足，影響了反硝化的速率，而隨著迴流比的升高，有足夠的硝酸鹽作為電子受體，並利用水中的有機物作為電子供體，在無需外加碳源的條件下，完成反硝化和深度脫氮的目的。但迴流比從150%繼續升高時，出水TN的濃度卻不再繼續降低，增加到200%時TN的去除率已呈下降趨勢。一方面，隨著硝酸鹽濃度的不斷升高，造成水中的碳源不足進而影響反硝化的進行;另一方面，隨著迴流比的增加，進入DN池的溶解氧也在增加，而溶解氧可作為電子受體，競爭性的阻礙硝酸鹽的還原，同時還將抑制硝酸鹽還原酶的形成。由於迴流比和HRT越高所需反應池構築物容積越大，從水廠實際升級改造工程考慮，對100%、125%、150%和175%四個迴流比以及各個迴流比下出水TN隨HRT的變化進行進一步研究。
增加，出水TN的濃度也隨之降低，微生物對基質的去除率也越高。但一般的，當HRT增加到20.0min以上時，出水TN濃度的下降趨勢以及去除率的增加都變得平緩，而且所需的構築物體積也在不斷增加。為了確保出水TN濃度達到一級A排放標准要求15.0mg/L以下時，選擇迴流比為125%，HRT為20.0min的參數條件，此時出水TN濃度為12.74mg/L，去除率為67.0%。
溶解氧是維持好氧微生物生長代謝的重要因素，對於曝氣生物濾池來說，水中溶解氧的供給，即空壓機的曝氣量也是主要的能源消耗所在，過低的曝氣量將降低微生物的新陳代謝能力;而過高的曝氣量一方面會造成經濟的浪費，一方面又會導致微生物的活性過度增強，在營養供給不足的情況下，導致生物膜發生自身的氧化分解。試驗通過對CN池進水COD濃度以及去除率的監測，對曝氣量進行參數優化。如圖10所示，隨著曝氣量的增加，出水COD的濃度隨之不斷下降，去除率也在不斷提高。但在曝氣量增加到0.8m3/h時，兩項指標的變化都不大，這說明過多的曝氣量和溶解氧對於COD的去除已無太大作用，只會增加動力費用。故確定CN池的曝氣量為0.8m3/h，此時出水DO濃度在2.5mg/L左右，氣水比為4∶1。CN池的出水已有較高的DO濃度，如圖11所示，在進入N池後，在較低曝氣量的條件下，對水中的NH3-N便有較高的去除率。同出水COD濃度的變化率相似，出水NH3-N濃度也隨著曝氣量提高而不斷降低，為了達到一級A排放標准，確定N池的曝氣量為0.6m3/h，此時出水DO濃度在3.0mg/L左右，氣水比為3∶1。
3.2技術經濟分析
該污水處理廠目前擁有日處理水量4×105t的兩級曝氣生物濾池一套，單池HRT為45.0min，兩級濾池氣水比分別為3∶1和4∶1。根據中試研究結果，如採用前置反硝化曝氣生物濾池工藝，需要增加125%的迴流液，但由於HRT減少至20.0min，根據計算同樣可以利用現有兩級濾池分別作為CN池和N池，並有少量的富餘，只需增加一套前置DN池，以及迴流管道，同時還需對水泵和曝氣風機設備進行更換，如圖12所示。如採用後置反硝化曝氣生物濾池工藝，可將現有兩級濾池分別作為CN池和N池，另外還需修建一套DN池，以及甲醇投加和儲備間，同時要對曝氣風機設備進行更換，如圖13所示，虛線部分為新建構築物。
根據中華人民共和國住房和城鄉建設部頒布的《全國市政工程投資估算指標》以及遼寧省建築、安裝、市政工程預算定額、費用定額和近年來的同類工程預、決算資料分別對兩種工藝流程升級改造的建設成本和運行費用進行估算，如表2所示。
經過經濟費用估算，前置反硝化工藝較後置反硝化工藝，在投資總費用方面，由於構築物建設和設備購置原因要高出1330.12萬元;而在年運行費用方面，由於無需外加碳源則要低1915.01萬元。即在升級改造完成後第2年，兩工藝的建設和運行總費用將會基本持平，此後前置反硝化工藝較之後置反硝化工藝每年將節省大量的運行成本，故從長遠考慮，推薦採用前置反硝化作為水廠的深度脫氮工藝。
通過工業綜合廢水深度處理全流程工藝的中試研究，結合該污水處理廠現有工藝情況，制定了升級改造的工藝路線，如圖14所示。
4結語
1)由於工業綜合廢水具有高油高粘渣、可生化性差又極難降解的問題，在對其進行處理時需要增加必要的預處理工藝。通過中試研究表明，高效氣浮除油工藝可以有效去除廢水中的油污、粘渣等雜質;水解酸化工藝一方面能夠有效提高水質的可生化性，同時還能有效去除水中的SS，具有良好的預處理效果。在氣浮溶氣壓力3.5kg/cm2、迴流比50%、水解酸化HRT2.0h條件下，能夠去除原水中40%的有機污染物，並將原水的BOD/COD提高至0.4以上。
2)通過對比試驗研究和技術經濟分析，前置反硝化深度脫氮工藝對於以曝氣生物濾池為主體的污水廠升級改造具有更廣泛的應用前景，在節省大量運行成本的前提下，充分利用原水中的碳源，實現污水的深度脫氮。在迴流比為125%，HRT為20.0min的條件下，出水TN和NH3-N濃度均穩定達到一級A排放標准。
3)通過中試研究，研發了針對工業綜合廢水的「化學除磷+氣浮除油+水解酸化+前置反硝化曝氣生物濾池」的深度處理全流程工藝。長期運行數據表明，該工藝對於難降解、波動幅度大的工業廢水，具有較好的抗沖擊能力和處理效果，出水能夠穩定達到國家一級A排放標准。
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❸ 曝氣生物濾池特點與工藝流程

曝氣生物濾池(biologicalaeratedfilter)與普通活性污泥法相比，具有有機負荷高、佔地面積小(是普通活性污泥法的1/3)、投資少(節約30%)、不會產生污泥膨脹、氧傳輸效率高、出水水質好等優點，但它對進水SS要求較嚴(一般要求SS≤100mg/L，最好SS≤60mg/L)，因此配鎮穗對進水需要進行預處理。同時，它的反沖洗水量、水頭損失都較大。
世界上首座曝氣生物濾池於1981年在法國投產，隨後在歐洲各國得到廣泛應用。美國和加拿大等美洲國家在20世紀80年代末引進此工藝，日本、韓國和中國台灣也先後引進了此項技術。目前世界上較大的環保公司如法國得利滿公司、德國菲力普穆勒公司、法國VEOLIA公司均把它作為拳頭產品在全世界推廣。在中國內地，曝氣生物濾池正處於推廣階段。大連市馬欄河污水處理廠是我國第一個採用曝氣生物濾池工藝的城市污水處理廠(由東北市政院設計)，廣東新會東郊污水處理廠採用了水解——曝氣生物濾池污水處理工藝(由中冶馬院設計)。另外，我國一部分工業廢水的處理也採用了此項技術。國內許多科研設計單位對曝氣生物濾池也進行了試驗研究。隨著曝氣生物濾池在世界范圍內不斷推廣和普及，很多學者在其結構形式、功能、啟動和濾料等方面進行了詳細的研究，取得了很多成果。
幾十年來，在污水處理領域，活性污泥法無疑是一種被廣泛使用並有良好效果的污水生物處理技術。但是隨著社會的不斷進步，城市規模擴大以及人類對居住環境的日益重視，活性污泥法的不足越來越突出地顯現在人們的眼前。
·佔地巨大：人口的不斷膨脹使城市變得擁擠，許多城市土地稀缺，而採用活性污泥法的污水處理廠動輒幾公頃，甚至幾十公頃的佔地無疑成為一種制約。
·環境惡劣：巨大的污水處理構築物大面積暴露在大氣之中，極易產生臭氣污染，周圍居民無法忍受。因此，越來越多的居民拒絕與污水處理廠為鄰。
·性能不穩定：由於是一種懸浮狀態的微生物膠團，活性污泥的濃度通常在6000毫克/升以下，外界環境(溫度，污染物濃度等)極易對處理效果產生影響，甚至造成污泥膨脹，使處理水質惡化。
上世紀八十年代，一種針對以上問培卜題研發出來的新的污水處理技術首先在法國得以運用，這就是「淹沒式旅運固定生物膜曝氣濾池」。法國OTV公司在淹沒式固定生物膜曝氣濾池領域擁有近20年的工程設計、建設和運行經驗，並且在世界各地建設了100多座類似工藝的污水處理廠，其中一種工藝便是BIOSTYR(r)生物濾池。
BIOSTYR(r)則是一種經過改良的新一代上向流曝氣生物濾池。它既可以用於污水的二級處理，也可以用於處理出水需要回用等其它要求的污水深度處理，並且能夠達到很高的排放水質標准。
基本結構：
BIOSTYR(r)工藝是一種淹沒式上向流生物濾池，其濾料為比重小1的球形顆粒並漂浮在水中，我們稱之為BIOSTYRENETM。
每個生物濾池單元包括：
·進水管和位於濾池底部的配水渠(同時可用於反沖洗水的排除)；
·兩條空氣第(管孔管)，一條用於工藝曝氣，一條用於氣反沖洗；在硝化/反硝化反應時用兩條管道，在單一硝化反應時曝氣和反沖洗為同一條管道；
·3～3.5米的濾料層，濾料表面附著大量的微生物；
·濾池頂部有混凝土濾板，防止濾料的流失；
·濾板上安裝有濾頭，用於濾池出水。
工藝原理：
根據曝氣管道位置的不同設置可以控制硝化反應和反硝化反應的程度，也可以單獨進行硝化反應或反硝化反應。

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